聚焦离子束各种参数对溅射刻蚀过程的影响

聚焦离子束技术在微纳加工中的应用

随着半导体制造业的快速发展，对产品质量的要求不断提高，微分析技术的需求也随之增加。纳米结构，尤其是纳米光子和纳米光学领域的应用，正在推动相关技术的进步。聚焦离子束（FIB）系统作为一种重要的微纳加工工具，因其独特的加工能力而在纳米科技领域中发挥着越来越重要的作用。

FIB系统的基本功能

FIB系统不仅具备扫描电子显微镜的成像功能，还能进行刻蚀、沉积材料及器件、离子注入等微纳加工。这些功能使得FIB在纳米科技领域中具有广泛的应用前景。

FIB加工原理

FIB加工是通过高能离子束轰击样品表面实现的。离子束经过加速、质量分析和整形处理后，聚焦在样品表面。目前，离子束斑直径已可达到纳米级别，通过计算机控制束扫描器和消隐组件，可以加工出特定的图案。为了方便大家对材料进行深入的失效分析及研究，金鉴实验室具备Dual Beam FIB-SEM业务，包括透射电镜( TEM)样品制备，材料微观截面截取与观察、样品微观刻蚀与沉积以及材料三维成像及分析等。

离子束强度的影响

离子束强度对微纳图形的加工效果有显著影响。实验表明，离子束强度的高斯分布对结构形貌有直接影响。通过在Si（100）晶片上进行实验，研究了不同离子束能量（5keV和30keV）对刻蚀结构的影响。结果显示，5keV时束斑更宽，刻蚀能力较低，聚焦性较差；而30keV时刻蚀效果更接近预期。

实验结果示例：

图1展示了不同能量下刻蚀方形结构的倾斜视图，显示了刻蚀宽度与设定参数的比较。

图2展示了不同电流下刻蚀线结构的俯视图，突出了电流对结构尺寸的影响。

离子束电流的影响

离子束电流的变化直接影响入射离子的剂量，进而影响刻蚀效果。实验中，通过改变电流（1.5pA, 9.7pA, 48pA），研究了电流对线结构刻蚀的影响。结果表明，电流越大，刻蚀线轮廓的尺寸变化越明显。

实验结果示例：

图3展示了不同电流下刻蚀线结构的AFM轮廓图，显示了线结构深度和宽度的变化。

离子束驻留时间的影响

驻留时间是FIB加工中的关键参数之一。驻留时间的增加会导致再沉积效应的产生，影响刻蚀形貌。实验中，通过改变驻留时间（如1ms），研究了再沉积对结构形貌的影响。

实验结果示例：

图4展示了1ms驻留时间刻蚀再沉积结构和截面图，显示了再沉积效应对刻蚀深度和形貌的影响。

再沉积效应的影响

再沉积效应是FIB加工中的一个重要现象。通过延长驻留时间，可以利用再沉积效应制备出特定的结构形貌。实验中，通过改变驻留时间，研究了再沉积对结构形貌的影响。

实验结果示例：

图5展示了再沉积结构的形貌，突出了再沉积堆积的方向性。

结论

在FIB微纳图形的制备过程中，各种加工工艺参数都会影响最终的结构形貌。选择合适的离子束能量、电流和驻留时间，可以有效地控制刻蚀效果，制备出所需的理想形态。例如，30keV的离子束能量在材料去除过程中能获得较好的结构形貌；小电流适用于纳米级结构的刻蚀；而增大驻留时间则可以利用再沉积效应制备出特定的结构。通过这些实验和分析，可以为FIB微纳加工提供更深入的理解和指导，推动纳米科技领域的发展。